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03/09/2010

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Ingranaggi

Le ruote dentate sono organi meccanici largamente utilizzati per la trasmissione di potenza tra assi differenti, sia paralleli che non. L’accoppiamento di due ruote dentate prende il nome di ingranaggio. Tra i diversi sistemi attualmente utilizzati per la trasmissione di potenza, le ruote dentate si caratterizzano per avere un maggiore rendimento (fino al 98%), maggiore affidabilità e durata, minor ingombro.
Utilizzando ruote di dimensioni differenti è inoltre possibile avere una riduzione di velocità dell’albero condotto con conseguente incremento della coppia torcente trasmessa (ingranaggio moltiplicatore), o, viceversa, un aumento di velocità dell’albero condotto con conseguente diminuzione della coppia trasmessa (ingranaggio riduttore).
Tale effetto è conseguenza del fatto che la velocità periferica delle due ruote nel punto di contatto è la stessa (in assenza di strisciamento), condizione che conduce alle relazioni:

In cui le W sono le velocità angolari, T le coppie trasmesse e n il numero dei denti di ruota e pignone.
Esistono diversi tipi (Figura 1) di ingranaggi: cilindrici, elicoidali, a vite senza fine etc. Per applicazioni racing solitamente si utilizzano ingranaggi cilindrici a denti dritti che, a fronte di una maggiore rumorosità (di scarso interesse nel mondo delle competizioni motoristiche) presentano però i più elevati rendimenti di trasmissione.
La geometria delle ruote dentate è complessa (Figura 2). I denti vengono sagomati in maniera da riprodurre un evolvente di circonferenza, una curva ottenuta cioè dal rotolamento di una retta su una circonferenza (la cosiddetta circonferenza base). Tale profilo presenta dei benefici che si concretizzano nella relativa semplicità di costruzione, nella possibilità di tollerare imperfezioni nel montaggio delle ruote (quindi assi di funzionamento reali diversi da quelli di progetto) e nella costanza del rapporto di trasmissione.
Per quanto riguarda la fabbricazione delle ruote dentate, il taglio può essere effettuato per fresatura o per inviluppo. Nel caso di taglio per fresatura, si utilizzano frese a disco con denti costruiti in maniera tale che tutte le sezioni fatte con un qualsiasi piano passante per l’asse della fresa riproducano il vano esistente tra dente e dente, in maniera tale che una successiva riaffilatura della fresa non produca modifiche nella geometria del dente. Il principale svantaggio del taglio per fresatura risiede nel fatto che teoricamente è necessario dotarsi di una fresa diversa per ogni modulo desiderato per la ruota e per ogni numero di denti. Tuttavia se non sono richieste grandi precisioni si può utilizzare una fresa anche per tagliare ruote con numero di denti superiore a quello nominale.
Il metodo di taglio per inviluppo, invece, è quello che consente la massima generalità di applicazione e che consente di ottenere la massima precisione di lavorazione. Diversi sono i tipi di macchina che possono tagliare una ruota per inviluppo e possono avere come utensile di taglio o una dentiera (Figura 3) o mediante un coltello Fellows (Figura 4). Nel caso di taglio con dentiera questa viene animata di moto rettilineo alternato, mentre la ruota ha un moto composto di traslazione e rotazione in modo da riprodurre quelle che saranno le condizioni di ingranamento. Il coltello Fellows è invece in buona sostanza un pignone di diametro più piccolo della ruota che effettua un taglio per stozzatura.
Ancora, le dentature possono essere inoltre prodotte tramite l’utilizzo del creatore (Figura 5), che in sostanza è una fresa elicoidale.
Per quanto riguarda i materiali impiegati per la costruzione delle ruote dentate, possono essere i più diversi.
Si va infatti da ruote in plastica, destinate a semplici applicazioni (es. elettrodomestici) a ruote in acciaio, solitamente trattato termicamente (cementato, per aumentarne la durezza superficiale, temprato, etc.), alla ghisa.

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Figura 1: Diversi tipi di ruote dentate.	Figura 2: Geometria delle ruote dentate cilindriche a denti dritti.	Figura 3: Il taglio di una ruota mediante dentiera.	Figura 4: Il taglio di una ruota bielicoidale mediante coltello Fellows .	Figura 5: Un creatore usato per il taglio di ruote dentate.